Запитання і завдання для самоконтролю знань

1. Назвіть загальні способи добування металів, зазначте відновники, що використовують у кожному з них.

2. Дайте визначення сплавів, обґрунтуйте застосування металів і сплавів, наведіть приклади сплавів.

3. У чому полягає відмінність чавуну від сталі за складом і властивостями?

4. Напишіть рівняння реакцій відновлення металів за схемами:

V₂O₅ + H₅ →…; Cr₂O₃ + Al →…;

SnO₂ + C →…; TiCl₄ + Mg →…

5. Обґрунтуйте необхідність охорони навколишнього середовища в металургійному виробництві.

6*. Обчисліть масу магнітного залізняку з масовою часткою пустої породи 5%, необхідного для одержання 1 т чавуну, що містить 95% заліза.

Тема:

ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ. НАФТА, ГАЗ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ. ОХОРОНА ДОВКІЛЛЯ.

План:

1. Склад і використання природного та супутнього нафтового газів.

2. Нафта.

3. Склад і властивості нафти.

4. Продукти перегонки нафти, їх застосування.

5. Вторинна переробка нафтопродуктів. Детонаційна стійкістьбензину.

6. Кам’яне вугілля, продукти його переробки. Основні види палива та їх значення в енергетиці країни.

Література:

Основна:

1. Хімія: Підручник для 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів. / Попель П.П., Криля Л.С. – К.: ВЦ «Академія», 2010. – 232 с.

2. Хімія: Підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів. / Попель П.П., Криля Л.С. – К.: ВЦ «Академія», 2011. – 232 с.

3. Хімія 10-11 кл.: Органічна хімія [Підручник для 10-11 кл. серед. загальноосвіт. шк. ] / Домбровський А.В., Лукашова С.М. – К.: Освіта, 2003.-192 с.

Додаткова:

4. Хімія: [Підручник для учнів 10 кл. серед. загальноосвіт. шк.] / Буринська Н.М., Величко Л.П. – К.; Ірпінь: ВФТ «Перун», 2005.- 192 с.: іл..

Хімія: [Підручник для учнів 11 кл. серед. загальноосвіт. шк.] / Буринська Н.М., Величко Л.П. – К.; Ірпінь: ВФТ «Перун», 2005.- 176 с.: іл..

5. Збірник задач та вправ з органічної хімії, 10-11 кл. / О.В. Березан – К.: Абрис, 2000.-200с.

6. Збірник задач і вправ з хімії. / О.Н. Ярошенко, Н.І Новицька. – Харків, 1998 р.

Природні джерела вуглеводнів

Усім відомо, наскільки широко використовують вуглеводні на практиці. Тому проблема їх добування є надзвичайно важливою.

Основними природними джерелами вуглеводнів є нафта, супутний нафтовий газ, природний газ, вугілля, горючі сланці.

Нафта містить усі типи вуглеводнів: насичені, ненасичені, ароматичні. Найбільше в нафті рідких вуглеводнів (80—90 % її маси). В їхній суміші розчинені тверді й газуваті вуглеводні, органічні оксигено-, нітрогене- та -сульфуровмісні сполуки. У нафті є також вода, деякі неорганічні речовини.

Нафта — темна оліїста рідина з неприємним запахом; її густина становить 0,82—0,95 г/см³. Вона нерозчинна у воді, але розчиняється в багатьох органічних розчинниках, насамперед у рідких вуглеводнях. Нафта починає кипіти вже при слабкому нагріванні (40—60 °С), а при дуже високих температурах кипіння супроводжується розкладом сполук, які залишилися в ній.

Існує дві теорії походження нафти: органічна та неорганічна. Більшість учених є прибічниками органічної теорії. Згідно з нею нафта утворювалася протягом мільйонів років із залишків планктону, гумусу, решток рослин, які перероблялися бактеріями в земних надрах. За неорганічною теорією вуглеводні нафти — це продукти реакцій карбідів металічних елементів з водою, а також водню з карбон(ІІ) оксидом, які відбувалися в далекі часи у глибинах планети при певних температурах і тисках.

Запаси нафти у світі швидко витрачаються і можуть бути вичерпані в цьому столітті. Тому вчені розробляють технології добування рідких видів палива з іншої сировини, зокрема з вугілля, природні запаси якого значно перевищують запаси нафти.

Супутний нафтовий газ — це суміш газоподібних вуглеводнів, які містяться разом з нафтою в її родовищі. За якісним складом супутний нафтовий газ нагадує природний, але метану містить менше, а етану та інших вуглеводнів — більше.

Частина цього газу перебуває у нафті в розчиненому стані. При вилученні нафти із земних надр тиск падає, розчинність газів зменшується і вони виділяються з неї.

Із супутного нафтового газу на газопереробних заводах добувають метан, етан, пропан, бутан і газовий бензин (він містить рідкі вуглеводні С₅—С_п). Суміш пропану і бутану (зріджений, або балонний газ) застосовують як побутове паливо.

Природний газ відомий вам із побуту. Його використовують для опалення житла, приготування їжі тощо. Природний газ як паливо застосовують і в промисловості, на теплових станціях. Він також є цінною хімічною сировиною.

Природний газ в основному складається з метану (його об'ємна частка становить звичайно 85—99 %). Домішками є етан, кілька інших найпростіших вуглеводнів, а також вуглекислий газ, азот, сірководень. Природний газ майже не має запаху. Проте, якщо відкрити кран газової магістралі, то відразу відчуємо неприємний запах. Він належить деяким сполукам (меркаптанам), які добавляють у газ, щоб можна було виявити його витікання, оскільки ця речовина вибухонебезпечна.

Вугілля — горюча копалина, що утворилася багато мільйонів років тому в надрах планети в результаті тривалого розкладу і хімічного перетворення величезних рослинних мас. Це — суміш багатьох органічних речовин з високим вмістом Карбону, а також деяких неорганічних речовин. Вугілля є сировиною для добування різних видів палива хімічними методами.

Існує три види вугілля — антрацит, кам'яне і буре. Масова частка Карбону в антрациті найбільша (94—97 %), а в бурому вугіллі — найменша (64—80 %).

Горючі сланці — гірська порода, яка має неорганічну й органічну складові. Органічна складова — продукт тривалого перетворення рослинних і тваринних залишків у надрах планети. Масові частки елементів у горючих сланцях такі (у відсотках): Карбон 60—78, Гідроген 7—10, Оксиген 10—20, Сульфур 1,5—11. Горючі сланці використовують як паливо. Крім того, їх піддають термообробці при 450—550 °С для добування горючих газів, газового бензину, смоли.

Переробка нафти

Нафта є цінною вуглеводневою сировиною для хімічної промисловості. Метою переробки нафти є добування бензину, інших видів пального, а також важливих органічних речовин.

Розрізняють первинну і вторинну переробки нафти. Основу первинної переробки становить перегонка, а вторинної — хімічні реакції, під час яких відбуваються зміни складу і будови молекул вуглеводнів.

Перегонка нафти. Нафта є складною сумішшю вуглеводнів. Кожна сполука має певну температуру кипіння. Це дає змогу розділяти нафту, щоправда, не на окремі речовини, а на суміші речовин з близькими температурами кипіння. Ці суміші називають фракціями (табл. 1).

Таблиця 4

Характеристики фракцій, які добувають перегонкою нафти

Назва фракції	Кількість атомів карбону в молекулах вуглеводнів	Інтервал температур кипіння, °с	Застосування
Бензин	С2-С11	40—200	Пальне для авіаційних і автомобільних двигунів внутрішнього згорання
Лігроїн	С8-С14	150—250	Пальне для тракторів
Гас	С12-С11	180—300	Пальне для тракторів, реактивних літаків і ракет
Газойль	С15-С22	230—350	Дизельне пальне
Мазут*	С2-С***	> 350	Паливо для котлів, промислових печей; хімічна сировина

* Залишок після перегонки нафти. Застосовуючи перегонку мазуту під вакуумом, добувають мастила

Перегонку нафти здійснюють у безперервно діючих ректифікаційних колонах тарілчастої конструкції (мал. 18). Нафту попередньо нагрівають для перетворення на газуватий стан і разом з водяною парою вводять у колону. Там вона поступово охолоджується. При цьому спочатку зріджуються вуглеводні з більшими молекулярними масами (вони мають вищі температури кипіння), а потім — з меншими (вони мають нижчі температури кипіння). Розчинені в нафті вуглеводні, що за звичайних умов є газами, виходять із верхньої частини колони.

Важливим продуктом переробки нафти є бензин. Якість бензину визначають за його стійкістю до детонації. Так називається явище дуже швидкого, вибухового згорання парів речовини в суміші з повітрям при стисненні. Алкани розгалуженої будови й арени є стійкішими до детонації, алкани з нерозгалуженими молекулами — менш стійкими. Кількісно Детонаційну стійкість оцінюють за допомогою октанового числа. Воно змінюється від О (прийняте для w-гептану, який легко детонує) до 100 (для ізооктану, або 2,2,4-триметилпентану, який детонує важко). Якщо, наприклад, бензин має октанове число 96, то його стійкість до детонації така сама, що й суміші ізооктану та -гептану з об'ємними частками сполук відповідно 96 і 4 %. Отже, чим вище октанове число має бензин, тим більший тиск він витримує без детонації і тим потужніше може працювати двигун.

Бензин, який добувають перегонкою нафти, має невисоку якість; його октанове число становить здебільшого 40—50.

Існує кілька процесів вторинної переробки нафти. Розглянемо крекінг і риформінг.

Крекінг — один з найважливіших процесів вторинної переробки нафти. Для нього беруть високотемпературні фракції нафти (гас, газойль, мазут) і нагрівають їх. При цьому вуглеводні зазнають розкладу з розривомі перебудовою карбонових ланцюгів. Застосування крекінгу дає змогу істотно збільшити загальний вихід бензину при переробці нафти.

Існує два види крекінгу - термічний і каталітичний.

Термічний крекінг здійснюють при температурі 470—550 °С і тиску в кілька атмосфер. Під час цього процесу молекули вищих алканів розщеплюються на молекули алканів і алкенів з меншою довжиною карбонових ланцюгів:

Мал. 18. Схема установки для перегонки нафти:

а — трубчаста піч;

б — ректифікаційна колона

Бензин, вироблений за допомогою термічного крекінгу, має вище октанове число (60—70), ніж добутий перегонкою нафти. Проте в ньому містяться ненасичені вуглеводні, окиснення яких призводить до погіршення якості бензину. З метою уповільнення процесів окиснення до бензину добавляють інгібітори.

Каталітичний крекінг здійснюють при невисоких температурах і тисках за наявності каталізаторів (алюмосилікатів). При цьому поряд з розпадом молекул вуглеводнів відбувається ізомеризація продуктів реакцій з утворенням сполук розгалуженої будови і перетворення вуглеводнів з ланцюговими молекулами на циклічні й ароматичні.

Бензин, добутий каталітичним крекінгом, має підвищений вміст аренів, високе октанове число (>70) і не втрачає своїх якостей при зберіганні, оскільки містить мало ненасичених вуглеводнів.

Риформінг. Цей процес здійснюють у широкому інтервалі температур і тисків за участю каталізаторів. Під час риформінгу відбуваються різноманітні перетворення вуглеводнів: ізомеризація, алкілування, циклізація, ароматизація. За допомогою цього процесу з бензинової та лігроїнової фракцій добувають високоякісний бензин з октановим числом 90 і більше, а також ароматичні вуглеводні.

Приклади перетворень під час риформінгу

Більшу частину нафти переробляють на бензин та інше пальне. Крім того, з нафти добувають різні розчинники, сполуки, які використовують у виробництві ліків, полімерів, засобів захисту рослин від хвороб і шкідників тощо.

Октанове число бензину збільшують за допомогою спеціальних добавок — антидетонаторів, наприклад тетраетилсвинцю (С₂Н₅)₄РЬ(хімічна назва сполуки — тетраетилплюмбум). Однак при згоранні бензину з такою добавкою в атмосферу потрапляють отруйні сполуки Плюмбуму. Вони викликають ураження нервової та кровотворної систем. Тому в багатьох країнах використання тетраетилсвинцю заборонено. Нині все частіше використовують екологічно безпечні антидетонатори.

Хімічна переробка вугілля

Вугілля потрібне не тільки як паливо. Воно є цінною сировиною для добування органічних сполук, зокрема аренів та їх похідних. Із кам'яного вугілля виробляють кокс, без якого неможливо виплавляти чавун.

Існує три способи хімічної переробки вугілля — коксування, газифікація і гідрування.

Коксування — це розклад вугілля при високій температурі за відсутності повітря. Основні продукти коксування — кокс, коксовий газ і кам'яновугільна смола.

Кам'яне вугілля певного виду нагрівають у спеціальних (коксових) печах при температурах 900—1100 °С. Під час складних хімічних реакцій з нього утворюється кокс і леткі продукти у вигляді пари та газів. При охолодженні вони розділяються на коксовий газ, кам'яновугільну смолу і надсмольну воду.

Кокс — порувата речовина темно-сірого кольору, що містить 96—98 % Карбону за масою. Решта маси коксу припадає на Гідроген, Оксиген, Нітроген, Сульфур, інші елементи.

До складу коксового газу входять водень (об'ємна частка 58—62 %), метан (24—27 %), чадний газ (5—7 %), азот, вуглекислий газ, вуглеводні (по 1,5—3,5 %), аміак. Пропускаючи коксовий газ крізь розчин сульфатної кислоти, з нього вилучають аміак, який перетворюється на амоній сульфат (азотне добриво). Пари бензену поглинають органічними розчинниками, а потім відганяють з розчину. Після відокремлення аміаку і бензену коксовий газ використовують як паливо або сировину для добування водню.

Надсмольна вода містить розчинені гази - вуглекислий газ, сірководень, хлороводень, ціановодень (HCN), аміак, а також солі амонію, які є продуктами взаємодії аміаку з названими газами, деякі органічні речовини.

Аміак і солі амонію використовують для виробництва добрив.

Кам'яновугільна смола — густа чорна рідина зі специфічним запахом. Вона є важливою сировиною для добування бензену, толуену, ксиленів, нафталену, фенолу тощо.

При коксуванні з кожної тонни вугілля добувають 650—750 кг коксу, 340—350 м³ коксового газу, 30—40 кг смоли, 10—12 кг сирого бензену, 2,5—3,4 кг аміаку.

Газифікація — перетворення вугілля на горючі гази (переважно — CO і Н₂) в результаті його реакцій з недостатньою кількістю кисню (повітря), водяною парою, а також вуглекислим газом при нагріванні (800—900 °С). Для газифікації використовують переважно низькосортне (буре) вугілля. Процес здійснюють у газогенераторних установках.

Основні реакції, що відбуваються при газифікації вугілля:

2С + 0₂ = 2СО; С + Н₂0 = CO + Н₂; С + 2Н₂ = СН₄; С + 0₂ = С0₂; CO + Н₂0 = С0₂ + Н₂; С + С0₂ = 2СО; CO + ЗН₂ = СН₄ + Н₂0.

В утвореній газовій суміші переважають горючі гази — CO (об'ємна частка в сухій суміші 20—56 %), Н₂ (29—39 %), СН₄, завжди містяться вуглекислий газ (12—ЗО %), водяна пара, інші домішки. Цю суміш газів використовують у промисловості як паливо. Крім того, взаємодією між її складовими — чадним газом і воднем - при високій температурі, тиску і наявності каталізатора добувають суміш вуглеводнів, схожу за складом на бензин:

nCO + (2n+1) =CnH_2n +nH₂O;

nCO + 2nH₂ =CnH_2n + nH₂O.

Газифікацію можна здійснювати безпосередньо під землею, в самих вугільних покладах. Ідею підземної газифікації запропонував ще Д. І. Менделєєв. Процес відбувається у свердловині, яка виконує функцію реактора, при вищій, ніжу газогенераторній установці, температурі (1000—2000 °С).

Гідрування — процес перетворення вугілля (найчастіше бурого) на рідкі та газуваті вуглеводні під дією водню при температурі 400—600 °С, певному тиску і наявності каталізатора. Гідруванням вугілля добувають синтетичне рідке пальне.

Схема 1 є підсумком викладеного матеріалу.